发育生物学第十章-果蝇的胚轴形成

第十章胚轴形成胚胎不但要产生不同类型的细胞（细胞分化），而且要由这些细胞构成功能性的组织和器官并形成有序空间结构的形体模式（bodyplan）。胚胎细胞形成不同组织、器官，构成有序空间结构的过程称为图式形成（patternformation）。LifecycleofDrosophilamelanogaster在动物胚胎发育中，最初的图式形成主要涉及胚轴（embryonicaxes）形成及其一系列相关的细胞分化过程。胚轴指胚胎的前－后轴（anterior-posterioraxes）和背–腹轴（dorsal-ventralaxis）。胚轴的形成是在一系列基因的多层次、网络性调控下完成的。爪蟾尾芽期胚胎的前后轴、背腹轴和左右轴（中侧轴），互成垂直角度。现已筛选到与胚胎前后轴和背腹轴形成有关的约50个母体效应基因（maternaleffectgene）和120个合子基因（zygoticgene）。目前，对果蝇胚轴形成的调控机制已有了一个较为清晰的认识。在果蝇最初的发育中，由母体效应基因构建位置信息的基本网络，激活合子基因的表达，控制果蝇形体模式的建立。1995NobelPrize研究揭开了胚胎如何由一个细胞发育成完美的特化器官,如脑和腿的遗传秘密，也树立了科学界对动物基因控制早期胚胎发育的模式一、果蝇卵和胚胎的极性果蝇的卵、胚胎、幼虫和成体都具有明确的前-后轴和背-腹轴。果蝇形体模式的形成是沿前-后轴和背-腹轴进行的。果蝇胚胎和幼虫沿前-后轴可分为头节、3个胸节和8个腹节，两末端又分化出前面的原头（acron）和尾端的尾节（telson）；沿背腹轴分化为羊浆膜、背部外胚层、腹侧外胚层和中胚层。果蝇沿前后轴、背腹轴和中侧轴建立形体模式。果蝇的原肠作用。A－B，腹沟的形成与闭合；C，极细胞的形成；D－E，生殖带的迁移和逆转；F，一龄幼虫。果蝇幼虫与成体分节的比较。早在20世纪初，胚胎学家就注意到很多动物定位于受精卵中特定部位的细胞质与胚胎某些特定部位的发育有关。果蝇卵前、后极少量细胞质的流失，会分别造成胚胎缺失头胸部和腹部结构，其他部位细胞质的少量流失都不会影响形体模式形成。这说明果蝇卵子前后极的细胞质中含有与果蝇图式形成有关的信息。果蝇早期胚轴形成涉及一个由母体效应基因产物构成的位置信息网络。在这个网络中，一定浓度的特异性母源性RNA和蛋白质沿前–后轴和背–腹轴的不同区域分布，以激活胚胎的合子基因组的程序。有4组母体效应基因与果蝇胚轴形成有关，其中3组与胚胎前–后轴的决定有关，另一组基因决定胚胎的背腹轴。决定前后轴的3组母体效应基因包括：前端系统（anteriorsystem）决定头胸部分节的区域，后端系统（posteriorsystem）决定分节的腹部，末端系统（terminalsystem）决定胚胎两端不分节的原头区和尾节。另一组基因即背腹系统（dorsoventralsystem），决定胚胎的背–腹轴。在卵子发生过程中，这些母体效应基因的mRNA由滋养细胞合成转运至卵子，定位于卵子的一定区域。这些mRNA编码转录因子或翻译调控蛋白因子，它们在受精后立即翻译且分布于整个合胞体胚盘中，激活或抑制一些合子基因的表达，调控果蝇胚轴的形成。这些母体效应基因的蛋白质产物又称为形态发生素（morphogen）。滋养细胞合成mRNA,rRNA，甚至是完整的核糖体，并通过细胞间桥的胼合体，单向转运到卵母细胞里。二、果蝇前–后轴的形成1.果蝇前后极性的产生果蝇的胚胎，幼虫、成体的前后极性均来源于卵子的极性。对于调节胚胎前–后轴的形成有4个非常重要的形态发生素：BICOID(BCD)和HUNCHBACK(HB)调节胚胎前端结构的形成，NANOS(NOS)和CAUDAL(CDL)调节胚胎后端结构的形成。母源性基因系统突变后产生的结果。形态发生素调节缺口基因（gapgene，首先表达的合子基因）的表达。不同浓度缺口基因的蛋白质产物引起成对控制基因（pair-rulegene）的表达，形成与前后轴垂直的7条表达带。成对控制基因蛋白质产物激活体节极性基因（segmentpolaritygene）的转录，进一步将胚胎划分为14个体节。缺口基因、成对控制基因以及体节极性基因共同调节同源异型基因（homeoticgene）的表达，决定每个体节的发育命运。果蝇形体模式建成过程中沿前后轴不同层次基因内的表达。不同组基因的顺序表达沿前后轴建立身体的模式。2.前端组织中心BICOID（BCD）蛋白浓度梯度前端系统至少包括4个主要基因，其中bicoid（bcd）基因对于前端结构的决定起关键的作用。BCD具有组织和决定胚胎极性与空间图式的功能。bcd是一种母体效应基因，其mRNA由滋养细胞合成，后转运至卵子并定位于预定胚胎的前极。exuperantia、swallow和staufen基因与bcdmRNA的定位有关。bcdmRNA由滋养细胞合成，后转移至卵细胞中并定位于卵细胞的前极。bicoid基因对前端结构的发育是必需的。bcdmRNA3’末端非翻译区中含有与其定位有关的序列。受精后bcdmRNA迅速翻译，BCD蛋白在前端累积并向后端弥散，形成从前向后稳定的浓度梯度，主要覆盖胚胎前2/3区域。母源性基因bicoidmRNA在卵子中的分布以及受精后biocoid蛋白的浓度梯度。随着BCD蛋白在胚胎中的扩散，这种蛋白质也开始降解——它有着大约30分钟的半衰期。这种降解对于建立起前后浓度梯度是非常重要的。bcdmRNA在受精后迅速翻译，形成BCD蛋白从前到后的梯度。突变型的BCD蛋白均匀分布，不能形成前后浓度梯度bcd基因编码的BCD蛋白是一种转录调节因子。另一母体效应基因hunchback（hb）是其靶基因之一,控制胚胎胸部及头部部分结构的发育。hb在合胞体胚盘阶段开始翻译，表达区域主要位于胚胎前部，HB蛋白从前向后也形成一种浓度梯度。hb基因的表达受BCD蛋白浓度梯度的控制，只有BCD蛋白的浓度达到一定临界值才能启动hb基因的表达。母源性BCD蛋白控制合子型基因hunchback的表达。四种形态发生素在果蝇受精卵和胚胎中沿前后轴分布的浓度变化。hunchback又可开启一些缺口基因如giant、krüppel和knips等基因的表达。缺口基因按一定顺序沿前后轴进行表达。krüppel基因的活性受HB蛋白的控制。不同靶基因的启动子与BCD蛋白具有不同的亲和力，BCD蛋白的浓度梯度可以同时特异性地启动不同基因的表达，从而将胚胎划分为不同的区域。btd、ems和otd基因很可能也是BCD蛋白的靶基因。浓度梯度建立位置信息的模型3.后端组织中心：NANOS蛋白和CAUDAL蛋白浓度梯度后端系统包括约10个基因，这些基因的突变都会导致胚胎腹部的缺失。在这一系统中起核心作用的是nanos（nos）基因。后端系统在控制图式形成中起的作用与前端系统有相似之处，但发挥作用的方式与前端系统不同。后端系统并不像BCD蛋白那样起指导性的作用，不能直接调节合子基因的表达，而是通过抑制一种转录因子的翻译来进行调节。在果蝇卵子发生过程中，nosmRNA定位于卵子后极。nos基因的编码产物NANOS（NOS）蛋白活性从后向前弥散形成一种浓度梯度。NOS蛋白的功能是在胚胎后端区域抑制母性hbmRNA的翻译。NanosmRNA也是由滋养细胞合成，后转运至卵细胞中，定位于卵细胞的后极。母源性hunchback蛋白浓度梯度的建立hb基因是在卵子发生过程中转录的母体效应基因，hbmRNA在卵子中是均匀分布的。在卵裂阶段HB蛋白开始合成。分布在胚胎后部的hbmRNA的翻译被NOS的浓度梯度所抑制，而在前部BCD蛋白浓度梯度可以激活合子hb基因的表达。结果HB蛋白的分布区域只位于胚胎前半部分。NOS对hb和bcd基因表达的抑制作用是在翻译水平上进行的。另一个重要的母源性产物caudal（cdl）mRNA最初也是均匀分布于整个卵质内，BCD能抑制cdlmRNA的翻译。在BCD活性从前到后降低的浓度梯度作用下形成CDL蛋白从后到前降低的浓度梯度。cdl基因的突变导致腹部体节发育不正常。四种形态发生素在果蝇受精卵和胚胎中沿前后轴分布的浓度变化。前端系统和后端系统蛋白因子之间的翻译调控确立了果蝇的前后轴。4.末端系统：TORSO信号途径末端系统包括约9个母体效应基因。这个系统基因的失活会导致胚胎不分节的部分，即前端原头区和后端尾节，缺失。在这一系统中起关键作用的是torso（tor）基因。如果前端和后端系统都失活，果蝇胚胎仍可产生某些前后图式，形成具有两个尾节的胚胎。Torso系统基因的失活会导致胚胎不分节的部分，即前端原头区和后端尾节，缺失tor基因编码一种跨膜酪氨酸激酶受体（receptortyrosinekinase，RTK），在整个合胞体胚胎的表面表达。其NH2－基端位于细胞膜外，COOH基端位于细胞膜内。当胚胎前、后端细胞外存在某种信号分子（配体）时可使TOR特异性活化，最终导致胚胎前、后末端细胞命运的特化。torso-like（tsl）基因可能编码这一配体。末端系统：Torso信号途径受体蛋白torso参与胚胎末端的特化。TOR与配体结合后，引起自身磷酸化，经一系列信号传递，最终激活合子靶基因的表达。在卵子发生过程中，tsl在卵子前极的边缘细胞和卵室后端的极性滤泡细胞中表达。TSL蛋白被释放到卵子两极处的卵周隙中，由于TOR蛋白过量，TSL不会扩散末端区以外，从而保证tor基因只在末端区被活化。除TSL外，末端系统所需要的其他成分如trk、fssDN和fssDph在胚胎中都是均匀分布的。Torso信号传导途径影响果蝇胚胎前后极性的母体效应基因A，母源性转录因子调控缺口基因的转录；B，母源性转录因子在确定缺口基因表达位置时发挥重要作用。三、果蝇背–腹轴的形成与果蝇胚轴形成有关的4组母体效应基因中，背–腹系统最为复杂，涉及约20个基因。其中dorsal（dl）等基因的突变会导致胚胎背部化，即产生具有背部结构而没有腹部结构的胚胎。与此相反，cactus等基因的突变则引起胚胎腹部化，产生只具有腹部结构的胚胎。背–腹系统的作用方式与末端系统有相似之处。通过一种局部分布的信号分子，即定位于卵子腹侧卵黄膜上的配体激活分布于腹侧卵黄膜上的受体，进而调节下游合子基因的表达。背-腹系统对合子靶基因表达的调节方式与前端系统相似，通过一种转录因子的浓度梯度来完成。但背腹系统浓度梯度形成的方式却与前端系统完全不同。dl基因是这一信号传导途径的最后一个环节，它编码一种转录调节因子。dlmRNA和DL蛋白在卵子中是均匀分布。当胚胎发育到第9次细胞核分裂之后，细胞核迁移到达合胞体胚盘的外周皮质层，在腹侧的DL蛋白开始往核内聚集，但背侧的DL蛋白仍位于胞质中。从而，使DL蛋白在细胞核内的分布沿背腹轴形成一种浓度梯度。DL蛋白定位于细胞核中的机制。cactus基因与DL蛋白能否进入细胞核这一调控过程有关。CACTUS与DL结合时，DL蛋白不能进入细胞核。toll基因在这一系统中具有极其重要的作用。TOLL是一种跨膜受体蛋白，其配体分子也是母源性产物，是spätzle基因编码蛋白的裂解片段。Spätzle蛋白由卵室腹侧的特异性滤泡细胞产生，在胚胎发育的早期被释放定位于卵周隙中。Spätzle蛋白与DL受体结合并使之活化，进而激发一系列细胞内信号传导，最终使CACTUS蛋白降解，DL蛋白释放进而进入细胞核。DL蛋白的浓度梯度通过对下游靶基因的调控，控制沿背-腹轴产生区域特异性的位置信息。这种浓度梯度在腹侧组织中可活化合子基因twist（twi）和snail（sna）的表达，同时抑制dpp和zen基因的表达，进而指导腹部结构的发育。dpp和zen基因在胚胎背侧表达，指导背部结构的发育。Toll蛋白的活化导致沿背腹轴方向细胞核之间dorsal蛋白梯度的形成。果蝇核蛋白dorsal沿背腹轴的梯度将身体分为不同部分的模型。twist和dpp等基因的激活